FR3061547B1 - APPARATUS FOR DETERMINING THE MASS FLOW OR GAS AUTONOMY OF A BOTTLE OF GAS, IN PARTICULAR OXYGEN MEDICAL - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un appareil (30) pour déterminer le débit massique (Qm) d'un gaz de composition connue, tel de l'oxygène, comprenant un débitmètre à oscillation fluidique (33) permettant de déterminer au moins une valeur de fréquence d'oscillation d'un tourbillon oscillant d'un gaz traversant ledit débitmètre à oscillation fluidique ; un capteur de pression (32) permettant de mesurer au moins une valeur de pression du gaz ; un capteur de température (31) permettant de mesurer au moins une valeur de température du gaz ; et des moyens de traitement de données (35) coopérant avec le débitmètre à oscillation fluidique (33). Le capteur de pression (32) et le capteur de température (31), lesdits moyens de traitement de données (35) sont configurés pour : i) déterminer un débit volumique (Qv) de gaz à partir de ladite au moins une fréquence d'oscillation de pression dudit tourbillon oscillant de gaz, de la pression de gaz mesurée par le capteur de pression (32) et de la température du gaz mesurée par le capteur de température (31), et ii) déterminer un débit massique de gaz (Qm) à partir du débit volumique de gaz (Qv) et de ladite au moins une valeur de température délivrée par le capteur de température (31). Le débit massique de gaz (Qm) peut ensuite servir à déterminer une durée d'autonomie (A) en gaz du récipient contenant le gaz considéré. Installation d'oxygénothérapie comprenant un réservoir de gaz (41), typiquement une bouteille d'oxygène, et un tel appareil (30).An apparatus (30) for determining the mass flow (Qm) of a gas of known composition, such as oxygen, comprising a fluidic oscillation flowmeter (33) for determining at least one frequency value of oscillation of an oscillatory vortex of a gas passing through said fluidic oscillation flowmeter; a pressure sensor (32) for measuring at least one pressure value of the gas; a temperature sensor (31) for measuring at least one temperature value of the gas; and data processing means (35) cooperating with the fluidic oscillation flow meter (33). The pressure sensor (32) and the temperature sensor (31), said data processing means (35) are configured to: i) determine a volume flow rate (Qv) of gas from said at least one frequency of oscillating the pressure of said gas swirling vortex, the gas pressure measured by the pressure sensor (32) and the temperature of the gas measured by the temperature sensor (31), and ii) determining a mass flow rate of gas (Qm ) from the volume flow rate of gas (Qv) and said at least one temperature value delivered by the temperature sensor (31). The mass flow rate of gas (Qm) can then be used to determine a gas autonomy time (A) for the container containing the gas in question. An oxygen therapy installation comprising a gas reservoir (41), typically an oxygen cylinder, and such an apparatus (30).
Description
L’invention porte sur un appareil de détermination d’un débit massique de gaz et préférentiellement de calcul d’autonomie en gaz d’une bouteille de gaz ou analogue, ledit appareil incorporant un débitmètre à oscillation fluidique, des capteurs et des moyens de traitement de données.
Dans le cadre d’un traitement par oxygénothérapie d’un patient à domicile, on utilise habituellement un dispositif de suivi ou d’observance venant s’insérer entre un réservoir d’oxygène, typiquement une bouteille d’oxygène, alimentant le patient en oxygène et le patient lui-même de manière à permettre de suivre les consommations d’oxygène par le patient et s’assurer ainsi que celui-ci observe bien son traitement.
Ce dispositif peut être équipé d’un module de communication permettant de transmettre les données à distance, par exemple à un serveur distant. A ce titre, on peut citer les documents WO-A-2009/136101, EP-A-2670463, EP-A-2506766 et EP-A-2017586 qui permettent de déterminer la pression et/ou le débit volumique du gaz fourni au patient, par exemple de l’air, de l’oxygène ou leur mélange.
Or, ces dispositifs ne permettent pas de mesurer le débit massique du gaz et donc d’estimer l’autonomie de la bouteille de gaz alimentant le patient.
Le problème qui se pose est dès lors de proposer un appareil qui permette une détermination efficace du débit massique (Qm) d’un gaz, en particulier d’oxygène alimentant un patient suivant un traitement par oxygénothérapie à son domicile, de manière à pouvoir éventuellement en déduire une autonomie en gaz du réservoir d’oxygène alimentant le patient, c'est-à-dire de pouvoir en déduire la quantité résiduelle d’oxygène dans le réservoir, et optionnellement, quand cela se justifie ou est nécessaire, la quantité de gaz qui a été délivrée au patient.
La solution concerne alors un appareil pour déterminer le débit massique (Qm) d’un gaz dont la composition est connue, en particulier d’un flux d’oxygène, comprenant : - un débitmètre à oscillation fluidique permettant de déterminer au moins une valeur de fréquence d’oscillation d’un tourbillon ou « vortex », d’un gaz, en particulier d’oxygène, traversant ledit débitmètre à oscillation fluidique, - un capteur de pression permettant de mesurer au moins une valeur de pression du gaz, - un capteur de température permettant de mesurer au moins une valeur de température du gaz, et - des moyens de traitement de données coopérant avec le débitmètre à oscillation fluidique, le capteur de pression et le capteur de température, lesdits moyens de traitement de données étant configurés pour: i) déterminer un débit volumique (Qv) de gaz à partir de ladite au moins une fréquence d’oscillation dudit tourbillon de gaz, de la pression de gaz mesurée par le capteur de pression et de la température du gaz mesurée par le capteur de température, et ii) déterminer un débit massique de gaz (Qm) à partir du débit volumique de gaz (Qv) et de ladite au moins une valeur de température délivrée par le capteur de température.
Selon le cas, l’appareil de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : - les moyens de traitement de données comprenant au moins un microprocesseur mettant en œuvre au moins un algorithme. - il comprend en outre des moyens de mémorisation de données reliés électriquement aux moyens de traitement de données, par exemple une mémoire flash. - il comprend en outre des moyens de fourniture d’énergie électrique alimentant les moyens de traitement de données. - les moyens de fourniture d’énergie électrique comprennent au moins une batterie, pile ou analogue, en particulier de type rechargeable. - le débitmètre à oscillation fluidique est agencé sur un conduit de gaz. - le capteur de température est agencé pour mesurer la température du gaz au sein dudit conduit de gaz, c'est-à-dire que la prise de température du capteur de température est reliée audit conduit de gaz pour y mesurer la température du gaz. - le capteur de pression est agencé pour mesurer la pression du gaz au sein dudit conduit de gaz, c'est-à-dire que la prise de pression du capteur de pression est reliée audit conduit de gaz pour y mesurer la pression du gaz. - le capteur de température et/ou le capteur de pression sont installés le plus proche possible du débitmètre à oscillateur fluidique, voire à l’intérieur du débitmètre dans le flux gazeux. En effet, pour calculer le débit massique (Qm) à partir du débit volume (Qv), il est nécessaire de connaître la masse volumique du gaz traversant le débitmètre, laquelle masse volumique dépend de la nature du gaz, de la température et de la pression de ce gaz. Ceci est détaillé ci-après. - les moyens de traitement de données sont en outre configurés pour déterminer, c'est-à-dire pour calculer, une valeur d’autonomie (A) en gaz à partir de la valeur de débit massique (Qm). - le débitmètre à oscillation fluidique, le capteur de température, le capteur de pression, les moyens de traitement de données et au moins une partie du conduit de gaz sont agencés dans un boîtier. - les moyens de traitement de données sont configurés pour calculer le débit massique du gaz (Qm) à partir de la formule (A) suivante : Qm = Qv. Rho (A) où : Qv est le débit volumique du gaz (en m3/s), et Rho est la masse volumique du gaz (en kg/m3). - il comprend en outre des moyens d’affichage configurés pour afficher au moins le débit massique déterminé par les moyens de traitement de données ou pour afficher une autonomie en gaz. - les moyens d’affichage comprennent un écran digital. - il comprend en outre des moyens de transmissions de données configurés pour transmettre des données à distance vers un dispositif receveur, tel un serveur ou un ordinateur distant. Par exemple, les données comme le débit massique, volumique, la pression et la température peuvent être transmises en mode Bluetooth. - les moyens de transmissions de données comprennent une antenne émettrice permettant d’émettre des données à distance, par exemple vers un ordinateur ou un serveur distant. - le débitmètre à oscillation fluidique comprend une chambre de stabilisation comprenant un élément stabilisateur de flux, une chambre d’oscillation comprenant un élément à reflux configuré pour créer au moins un tourbillon gazeux oscillant (ou « vortex ») dans la chambre d’oscillation, l’élément à reflux étant compris entre deux parois parallèles délimitant la chambre d’oscillation et un conduit de liaison reliant fluidiquement la chambre de stabilisation à la chambre d’oscillation, l’une desdites deux parois parallèles délimitant la chambre d’oscillation comprenant deux orifices de mesure agencés symétriquement par rapport à un plan de symétrie P séparant le conduit de liaison, la chambre de stabilisation, l’élément stabilisateur de flux, la chambre d’oscillation fluidique et l’élément à reflux en deux parties égales et symétriques par rapport audit plan de symétrie P. - la chambre d’oscillation du débitmètre à oscillation fluidique comprend une paroi périphérique reliant les deux parois parallèles, c'est-à-dire les deux parois agencées en vis-à-vis ou face à face dont l’une porte les deux orifices de mesure. Les deux parois parallèles délimitant la chambre d’oscillation forment le plafond et le sol de la chambre d’oscillation, c'est-à-dire que les deux orifices de mesure sont agencés dans le sol ou le plafond. - l’élément stabilisateur de flux du débitmètre à oscillation fluidique est configuré pour permettre de rendre le profil de vitesse du gaz en sortie de cet élément en deux dimensions (2D), donc invariable dans la direction perpendiculaire au plan du débitmètre, et de plus symétrique par rapport au plan de symétrie. En effet, le profil de vitesse du gaz arrivant en entrée de cet élément est souvent en 3 dimensions (3D) et dissymétrique. Le fait de changer brutalement la direction de l’écoulement en entrée de cet élément dans une section rectangulaire en plus qui se rétrécit au fur et à mesure qu’on s’approche du conduit de liaison, qui est lui-même de section rectangulaire, permet de transformer l’écoulement 3D en écoulement 2D. D’autre part, la géométrie symétrique par rapport au plan de symétrie de cet élément permet de symétriser aussi le profil de vitesse. - le conduit de liaison du débitmètre à oscillation fluidique convoie le gaz de la chambre de stabilisation à la chambre d’oscillation en accélérant la vitesse du gaz car la section rectangulaire de passage du gaz est inférieure à celle du passage agencé dans l’élément stabilisateur. En effet, il faut une vitesse de gaz supérieure à une valeur minimale en entrée de la chambre d’oscillateur pour déclencher les oscillations car, en l’absence de vitesse minimale, mesurer le débit de gaz n’est pas possible. - les deux orifices de mesure du débitmètre à oscillation fluidique sont fermés, c'est-à-dire recouverts, par une membrane fluidiquement étanche. Cette membrane transmet les variations de pression du côté de la chambre d’oscillation vers l’endroit où se trouvent les capteurs, c'est-à-dire microphones ou capteurs de pression. - l’élément à reflux du débitmètre à oscillation fluidique comprend une partie de section semi-cylindrique agencée face au conduit de liaison. - la chambre de stabilisation du débitmètre à oscillation fluidique comprenant un premier orifice d’entrée et un premier orifice de sortie agencés sur le plan de symétrie P. Le gaz entre dans la chambre de stabilisation par le premier orifice d’entrée et ressort de la chambre de stabilisation par le premier orifice de sortie. - la chambre d’oscillation comprenant un second orifice d’entrée et un second orifice de sortie agencés sur le plan de symétrie P. Le gaz entre dans la chambre d’oscillation par le second orifice d’entrée et ressort de la chambre d’oscillation par le second orifice de sortie. - le conduit de liaison du débitmètre à oscillation fluidique relie fluidiquement le premier orifice de sortie de la chambre de stabilisation au second orifice d’entrée de la chambre d’oscillation. - le débitmètre à oscillation fluidique comprend en outre un ou plusieurs capteurs de pression ou microphones raccordés auxdits deux orifices de mesure de manière à permettre de mesurer la pression dans la chambre d’oscillation, de préférence des microphones. Chaque orifice de mesure est relié à un capteur de pression ou à un microphone. - un canal d’entrée du débitmètre à oscillation fluidique est relié fluidiquement au premier orifice d’entrée de la chambre de stabilisation. Le canal d’entrée alimente la chambre de stabilisation en gaz. - l’élément stabilisateur de flux du débitmètre à oscillation fluidique est espacé de la paroi périphérique de la chambre de stabilisation de manière à créer des passages pour le gaz autour dudit élément stabilisateur de flux. Le flux de gaz traverse donc la chambre de stabilisation en contournant l’élément stabilisateur de flux, c'est-à-dire en passant de part et d’autre de l’élément stabilisateur de flux. - un conduit d’évacuation de gaz est en communication fluidique avec le second orifice de sortie de gaz de la chambre d’oscillation de manière à récupérer le gaz sortant de la chambre d’oscillation.
Par ailleurs, l’invention concerne aussi une installation d’oxygénothérapie comprenant : - un réservoir de gaz, typiquement une bouteille d’oxygène, et - un appareil selon l’invention pour déterminer, et préférentiellement afficher, le débit massique (Qm) du gaz délivré par le réservoir de gaz et/ou l’autonomie en gaz dudit réservoir de gaz.
De préférence, elle comprend en outre une interface de distribution de gaz permettant de fournir le gaz respiratoire, tel de l’oxygène, à un patient, tel que des canules nasales ou un masque respiratoire. L’invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description détaillée suivante, faite à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux Figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 est un schéma du principe de fonctionnement d’un débitmètre à oscillation fluidique équipant un appareil selon l’invention, - la Figure 2 est une représentation tridimensionnelle d’un débitmètre à oscillation fluidique selon la Figure 1, - la Figure 3 est un schéma de principe d’un mode de réalisation d’un appareil pour déterminer le débit massique d’un gaz selon l’invention incorporant le débitmètre à oscillation fluidique des Figures 1 et 2, et - la Figure 4 représente une installation d’oxygénothérapie incluant un appareil pour déterminer le débit massique d’un gaz selon l’invention.
La Figure 1 est un schéma du principe de fonctionnement d’un débitmètre à oscillation fluidique (vue de dessus) destiné à être incorporé dans un appareil pour déterminer le débit massique (Qm) d’un gaz selon l’invention dont la composition est connue, par exemple de l’oxygène.
Ce débitmètre à oscillation fluidique comprend une chambre de stabilisation 1 dans laquelle est agencé un élément stabilisateur de flux 11, ayant ici une section triangulaire, et une chambre d’oscillation 2 comprenant un élément à reflux 21 ayant une forme de demi-cylindre, lequel est configuré en arc de cercle 22 pour créer un tourbillon ou vortex gazeux oscillant. Le tourbillon oscille en fait entre deux zones Zl, Z2 situées schématiquement au niveau des extrémités du demi-cylindre formant l’élément à reflux 21. L’élément à reflux 21 est pris en sandwich entre deux parois parallèles 28, 29 délimitant la chambre d’oscillation 2 en haut et en bas respectivement (Figure 2), c'est-à-dire formant le plafond et le sol de la chambre d’oscillation 2.
Un conduit de liaison 3 relie fluidiquement la chambre de stabilisation 1 à la chambre d’oscillation 2 de sorte que le gaz qui entre dans la chambre de stabilisation 1, la traverse et alimente ensuite la chambre d’oscillation 2. Le conduit de liaison 3 y débouche en vis-à-vis, c'est-à-dire en face ou en regard, de l’élément à reflux 21 de forme semi-cylindrique, ce qui engendre une oscillation du flux et une formation de tourbillons dans les deux zones Zl et Z2 suscitées.
Comme on le voit, il existe en fait un plan de symétrie P séparant l’ensemble du système, en particulier le conduit de liaison 3, la chambre de stabilisation 1, l’élément stabilisateur de flux 11, la chambre d’oscillation fluidique 2 et l’élément à reflux 21, en deux parties égales et symétriques par rapport à ce plan de symétrie P.
Une telle configuration est connue et décrite dans la publication : Yves Le Guer ; Jet confiné, dispersions fluide-particules et mélange chaotique ; Engineering Sciences ; Université de Pau et des Pays de l’Adour; 2005, et dans le document WO 93/22627.
Pour assurer une mesure efficace de la variation en fonction du temps de la pression du gaz au sein de la chambre à reflux 2 dans laquelle oscille le flux gazeux en formant des tourbillons gazeux dans les zones Zl, Z2, les deux orifices de mesure 24, 25 sont agencés, dans le plafond 28 (ou dans le sol 29) de la chambre à reflux 2, c'est-à-dire approximativement au-dessus des zones Zl, Z2 où se forment les tourbillons, c'est-à-dire le tourbillon oscillant, et surtout symétriquement par rapport au plan de symétrie P du débitmètre en respectant impérativement entre eux, une distance d (mesurée entre les axes ou centres des orifices de mesures comprise entre 0.5 et 15 mm (cf. Figure 1), de préférence entre 0.5 et 10 mm, par exemple de l’ordre de 1 à 6 mm.
Les deux orifices de mesure 24, 25 reliés de préférence à des microphones ou des capteurs de pression se situent de façon préférentielle sur un axe perpendiculaire au plan de symétrie P, et de façon préférentielle dans la zone Z3 représentée en pointillés sur la Figure 1.
De préférence, les deux orifices de mesure 24, 25 sont reliés à des microphones (non représentés), et sont préférentiellement fermés par une membrane fluidiquement étanche de manière à assurer le bon fonctionnement de ces microphones. Ainsi, la pression dans la chambre d’oscillation 2 se transmet aux microphones, via les deux orifices 24, 25, et au travers des membranes qui recouvrent ces deux orifices 24, 25. De préférence, la membrane a une épaisseur très fine au niveau des capteurs 24 et 25, typiquement de l’ordre de 50 à 500 pm environ ; ailleurs, son épaisseur peut être comprise entre 1 et 2 mm, voire plus.
En fonctionnement, le flux de gaz circule dans le sens des flèches (=>) représentées en Figure 1. Le flux de gaz, par exemple de l’oxygène, arrive par un canal d’entrée 4 est relié fluidiquement au premier orifice d’entrée 12 de la chambre de stabilisation 1 et pénètre dans ladite chambre de stabilisation 1, via ce premier orifice d’entrée 12. Au sein de la chambre de stabilisation 1, le flux est soumis à une stabilisation par l’élément stabilisateur de flux 11, qui est de section se rapprochant de celle triangulaire avec sa base orientée en vis-à-vis du débouché du canal d’entrée 4, donc en face du premier orifice d’entrée 12. En fait, la section de l’élément stabilisateur de flux 11 est légèrement concave en se rapprochant de plus en plus de l’entrée 13 du conduit 3.
Le flux gazeux contourne donc l’élément stabilisateur de flux 11 en passant dans des passages 15 aménagés de part et d’autre de celui-ci. Les passages 15 sont en fait délimités par la surface externe de l’élément stabilisateur de flux 11 et par la paroi périphérique interne 14 de la chambre de stabilisation 1. En d’autres termes, l’élément stabilisateur de flux 11 est espacé de la paroi périphérique 14 de la chambre de stabilisation 1 de manière à créer des passages 15 pour le gaz autour dudit élément stabilisateur de flux 11.
Le flux gazeux ressort ensuite de la chambre de stabilisation 1 par le premier orifice de sortie 13 et est acheminé par le conduit de liaison 3 qui relie fluidiquement le premier orifice de sortie 13 de la chambre de stabilisation 1 au second orifice d’entrée 23 de la chambre d’oscillation 2. Les premier et second orifices d’entrée 12, 23 et les premier et second orifices de sortie 13, 26 sont agencés de façon symétrique par rapport au plan de symétrie P, comme visible sur la Figure 1.
Le conduit de liaison 3 est préférentiellement de section rectangulaire, c'est-à-dire qu’il est de forme générale parallélépipédique, avec une largeur faible/petite par rapport à sa hauteur pour permettre d’obtenir un flux laminaire en 2D et une vitesse suffisamment élevée, ce qui va favoriser son oscillation dans la chambre de reflux 2. D’une façon générale, comme illustré en Figure 1, le flux pénètre alors dans la chambre d’oscillation 2 et vient y impacter l’élément à reflux 21 de forme semi-cylindrique, ce qui crée le tourbillon oscillant entre les deux zones ZI et Z2, comme expliqué ci-avant.
Le gaz continue ensuite sa course dans la chambre d’oscillation 2 avant d’en ressortir par un conduit d’évacuation de gaz 27 qui est en communication fluidique avec le second orifice de sortie 26 de gaz de la chambre d’oscillation 2.
On comprend donc qu’à partir d’un champ de vitesse symétrique en 2 dimensions, on crée un tourbillon dont la localisation (zones ZI et Z2) va osciller avec une fréquence proportionnelle à la valeur du débit du fluide qui y circule. En plaçant des microphones ou des organes/capteurs de mesure de pression en dehors du conduit du fluide, c'est-à-dire au dessus des zones Zl, Z2 où se forment les tourbillons (i.e. les vortex), on peut mesurer la présence ou non d’une dépression du gaz et d’en déduire le débit volumique (Qv) de gaz qui y circule.
La Figure 2 est une représentation tridimensionnelle du débitmètre de la Figure 1 permettant de visualiser la localisation des orifices de mesure 24, 25 dans le plafond 28 de la chambre de reflux 2.
La Figure 3 est un schéma de principe d’un appareil 30 pour déterminer le débit massique (Qm) d’un gaz selon la présente invention.
Cet appareil 30 comprend un débitmètre à oscillation fluidique 33, tel que décrit ci-avant et représenté sur les Figures 1 et 2, permettant de déterminer au moins une valeur de fréquence d’oscillation du vortex ou tourbillon d’un gaz le traversant, un capteur de température 31 permettant de mesurer au moins une valeur de température du gaz, et un capteur de pression 32 permettant de mesurer au moins une valeur de pression du gaz.
Il comprend aussi des moyens de traitement de données 35 coopérant avec le débitmètre à oscillation fluidique, le capteur de température 31 et le capteur de pression 32 qui lui transmettent des signaux représentatifs des valeurs de fréquence d’oscillation du tourbillon oscillant dans la chambre d’oscillation du débitmètre 33, de température et de pression.
Les moyens de traitement de données 35 sont configurés pour déterminer un débit volumique (Qv) de gaz à partir de ladite au moins une fréquence d’oscillation de la pression au niveau du tourbillon de gaz généré au sein du débitmètre à oscillation fluidique 33, de ladite au moins une valeur de température délivrée par le capteur de température 31 et de ladite au moins une valeur de pression délivrée par le capteur de pression 32, puis un débit massique de gaz (Qm) à partir du débit volumique de gaz (Qv).
Pour ce faire, les moyens de traitement de données 35, telle une carte électronique à microprocesseur, par exemple un microcontrôleur, sont reliés électriquement aux capteurs de pression ou microphones 24, 25 du débitmètre à oscillation fluidique 33 de manière à recueillir et exploiter les mesures de pression au niveau des sites Zl, Z2 où se forment les tourbillons oscillants en extrayant leur fréquence d’oscillation et par ailleurs, des mesures de pression et de température du gaz circulant dans le conduit de gaz alimentant le débitmètre à oscillation fluidique, et ensuite en déduire un débit volumique (Qv) de gaz, comme détaillé ci-après.
Les moyens de traitement de données 35 comprenant un (ou des) microprocesseur mettant en œuvre au moins un algorithme. Les données sont préférentiellement mémorisées par des moyens de mémorisation, par exemple une mémoire flash. Les moyens de mémorisation de données sont reliés électriquement aux moyens de traitement de données. Typiquement, le microprocesseur et les moyens de mémorisation sont agencés sur une carte électronique.
Des moyens de fourniture d’énergie électrique, telle une batterie, alimentent les moyens de traitement de données 35 et, si besoin est, d’autres composants de l’appareil 30, comme par exemple les capteurs, les moyens de mémorisation 36....
Le débitmètre à oscillation fluidique 33, le capteur de température 31, le capteur de pression 32, les moyens de traitement de données 35 et au moins une partie du conduit de gaz 34 sont agencés dans un boîtier 37, de préférence un boîtier rigide, par exemple en polymère. De préférence, le capteur de température 31 et le capteur de pression 32 sont agencés pour opérer leurs mesures au sein dudit conduit de gaz 34, c'est-à-dire à proximité immédiatement du débitmètre à oscillation fluidique 33 de l’appareil de l’invention.
Le fonctionnement de l’appareil de l’invention est schématiquement le suivant.
Le débit massique du gaz (Qm) est déterminé par les moyens de traitement de données 35 qui le calculent à partir de la formule (I) suivante : Qm = Qv. Rho (I) où :
Qv est le débit volumique du gaz (en m3/s), et - Rho est la masse volumique du gaz (en kg/m3).
Le débit volumique Qv du gaz est déterminé à partir de la fréquence d’oscillation de la pression gazeuse au niveau des zones Zl, Z2 (cf. Fig. 1) où se forment le tourbillon ou vortex de gaz généré par le débitmètre à oscillation fluidique 33, comme expliqué ci-avant.
Par ailleurs, la masse volumique Rho du gaz est déterminée à partir de la loi des gaz réels. Pour ce faire, on déduit la masse volumique Rho (en kg/m3) à partir de la mesure de pression P et de température T, et connaissant la nature du gaz, grâce à la formule (II) suivante :
(II) où : . P est la pression absolue du gaz (en Pascal) mesurée par le capteur de pression dans le conduit véhiculant le gaz, c'est-à-dire installé le plus proche possible du débitmètre ou à l’intérieur de celui-ci, .T est la température mesurée (en Kelvin) par le capteur de température installé le plus proche possible du débitmètre ou éventuellement à l’intérieur de celui-ci, . M est la masse molaire du gaz considéré (en kg/mol). Cette masse molaire ne dépend que de la composition du gaz. Cette valeur est connue et mémorisée pour le gaz sélectionné, par exemple par les moyens de mémorisation. Par exemple, la masse molaire vaut 0.032 kg/mol pour l’oxygène. . Z(P, T) est un facteur de compressibilité (sans unité) qui dépend du gaz considéré, de la pression et de la température de ce gaz. Cette valeur est connue et mémorisée pour le gaz utilisé, par exemple par les moyens de mémorisation. Par exemple, cette valeur est approximativement égale à 1 pour des pressions et températures proches des conditions atmosphériques, i.e. de l’ordre de 1 atm et 20°C. . R est la constante universelle des gaz parfaits (en J/kg/K). Cette valeur est connue et mémorisée. Elle est indépendante de la nature du gaz. Elle vaut 8.314 J/kg/K.
En d’autres termes, l’appareil de l’invention est conçu et configuré pour d’abord déterminer le débit volumique (Qv) du gaz à partir de la fréquence d’oscillation du vortex, de la mesure de température du gaz et de la mesure de pression du gaz mesurées par les capteurs de température et de pression intégrés dans le conduit de gaz de l’appareil de l’invention, puis utiliser cette valeur de débit volumique (Qv) et la valeur de masse volumique Rho du gaz pour en déduire une valeur de débit massique (Qm), la masse volumique Rho du gaz étant déterminée comme expliquée ci-dessus.
Ensuite, la valeur de débit massique (Qm) peut être affichée, mémorisée, transmise et/ou encore utilisée pour déterminer l’autonomie du réservoir de gaz 41 (Fig. 4), telle une
bouteille d’oxygène ou analogue, c'est-à-dire pour estimer la quantité résiduelle d’oxygène dans le réservoir 41 (Fig. 4).
En effet, en intégrant la valeur de débit massique (Qm) sur toute la durée d’utilisation du réservoir de gaz, en particulier une bouteille d’oxygène, depuis son remplissage, on peut connaître la quantité de gaz utilisé pendant cette durée d’utilisation suite à la sélection d’un débit donné sur le réservoir de gaz, telle une bouteille de gaz.
Ceci permet alors d’estimer l’autonomie (A) du réservoir, à débit constant, à partir par exemple de la formule (III) suivante.
Ainsi, si le débit massique (Qm) est exprimé en kg/min, alors l’autonomie (A) du réservoir, exprimée en minutes, est donnée par la formule (III) suivante :
(III) avec : -tO, le moment du remplissage initial du réservoir. mgaz(tO) la masse de gaz (en kg) après le remplissage du réservoir, c'est-à-dire la quantité maximale de gaz utilisable déduite à partir de la loi des gaz réels ; et
• ^intérieur de la bouteille désigne le volume en m3 de l’intérieur du réservoir de gaz, telle une bouteille de gaz, • Pto dans la bouteille est la pression absolue (en Pa) dans la bouteille après son remplissage et lorsqu’elle est revenue à la température ambiante, et • nigaziÆI’lO la masse du gaz (en kg) restante dans la bouteille liée à la présence en sortie du réservoir, c'est-à-dire de la bouteille, d’une vanne qui se referme automatiquement lorsque la pression gazeuse dans celle-ci descend en-dessous d’un seuil donné. Ce type de vanne qui équipe la majorité des bouteilles de gaz, est appelé « RPV » (pour Residual Pressure Valve) ou « VPR » (pour valve à pression résiduelle). Il limite la baisse de la pression dans la bouteille jusqu’à un seuil donné de pression (Pseuii) qui est souvent compris entre 3.105 et 6.105 Pa absolue.
Pour calculer cette masse de gaz résiduelle dans le réservoir de gaz, typiquement une bouteille de gaz, on utilise aussi la loi des gaz réels en supposant que la température du gaz dans le réservoir, lorsque la pression atteint la pression seuil (Pseuii), est égale à la température ambiante, en utilisant la formule (IV) suivante :
(IV)
Il est à noter que si la bouteille n’est pas équipée avec un dispositif de type RPV, la dernière formule reste valable à condition de remplacer le seuil de pression par la valeur de la pression atmosphérique.
Connaître l’autonomie d’un réservoir de gaz est particulièrement intéressant pour l’utilisateur puisque cette information lui indique la durée approximative pendant laquelle il pourra utiliser le réservoir et consommer du gaz, c'est-à-dire, dit autrement, au bout de combien de temps il devra substituer le réservoir vide par un réservoir rempli. Ceci accroît la sécurité notamment pour les patients.
En d’autres termes, les moyens de traitement de données peuvent être avantageusement configurés pour calculer ou déterminer une durée d’autonomie (A) d’une bouteille de gaz (ou d’un autre réservoir) à partir du débit massique (Qm) et de plusieurs autres paramètres permettant de déterminer la masse en gaz résiduel dans la bouteille, à savoir la contenance de la bouteille d’oxygène Vintérieur de ia bouteme (i.e. volume en équivalent en eau), la pression initiale du gaz dans la bouteille Pto dans ia bouteille, la température initiale du gaz dans la bouteille Tambiante à t0 qui équivaut à la température ambiante lorsque la bouteille est stockée dans un local tempéré, la nature du gaz considéré, par exemple de l’oxygène et la pression seuil Pseuu du dispositif de type RPV
La durée d’autonomie (A) en gaz d’un réservoir donné, telle une bouteille de gaz 41 comme illustré en Figure 4, peut ensuite être enregistrée, affichée sur un afficheur, tel un écran digital, et/ou transmise à un serveur distant ou analogue. L’appareil 30 à débitmètre à oscillation fluidique 33 selon l’invention est donc conçu pour déterminer un débit massique (Qm) d’un gaz et préférentiellement une autonomie (A) en gaz à partir de la connaissance de la composition du gaz, de mesures de pression, de température, de la fréquence d’oscillation du tourbillon oscillant créé dans le débitmètre à oscillation fluidique et de la (ou des) valeur de débit volume (Qv) obtenue à partir desdites mesures. Connaître la valeur de débit massique (Qm) permet ensuite à l’appareil de l’invention d’estimer une autonomie en gaz du réservoir de gaz, telle une bouteille d’oxygène, alimentant l’appareil.
La Figure 4 schématise une installation d’oxygénothérapie selon l’invention comprenant un réservoir de gaz 41, typiquement ici une bouteille d’oxygène, et un appareil 30 selon l’invention pour déterminer, et préférentiellement afficher, le débit massique (Qm) du gaz délivré par le réservoir 41 de gaz et/ou l’autonomie en gaz dudit réservoir de gaz.
Une interface de distribution de gaz 43, tels des canules nasales ou un masque respiratoire, permettent de fournir le gaz respiratoire, tel de l’oxygène, à un patient. Le gaz est convoyé depuis la bouteille de gaz 41 jusqu’à l’interface de distribution 43 par un ou des conduits de gaz flexibles, l’appareil 30 selon l’invention venant s’insérer sur le trajet du gaz entre la bouteille de gaz 41 et l’interface 43, c'est-à-dire sur le ou les conduits 42. L’appareil selon l’invention de détermination de débit massique de gaz et préférentiellement de calcul d’autonomie en gaz, en particulier d’une bouteille de gaz ou de tout autre récipient, est avantageusement utilisable dans le cadre d’un traitement par oxygénothérapie d’un patient à son domicile.
The invention relates to an apparatus for determining a mass flow rate of gas and preferably to calculating gas autonomy of a gas cylinder or the like, said apparatus incorporating a fluidic oscillation flowmeter, sensors and processing means of data.
As part of an oxygen treatment treatment of a patient at home, a monitoring or compliance device is usually used which is inserted between an oxygen tank, typically a bottle of oxygen, supplying the patient with oxygen. and the patient himself so as to monitor the oxygen consumption by the patient and ensure that it observes his treatment.
This device can be equipped with a communication module for transmitting the data remotely, for example to a remote server. In this respect, mention may be made of the documents WO-A-2009/136101, EP-A-2670463, EP-A-2506766 and EP-A-2017586 which make it possible to determine the pressure and / or the volume flow rate of the gas supplied to the patient, for example air, oxygen or their mixture.
However, these devices do not make it possible to measure the mass flow rate of the gas and thus to estimate the autonomy of the gas cylinder supplying the patient.
The problem that arises is therefore to propose an apparatus that allows an effective determination of the mass flow rate (Qm) of a gas, in particular of oxygen supplying a patient following an oxygen therapy treatment at home, so as to possibly be able to deduce a gas autonomy of the oxygen tank supplying the patient, that is to say, to be able to deduce the residual amount of oxygen in the reservoir, and optionally, when it is justified or necessary, the amount of gas that has been delivered to the patient.
The solution then relates to an apparatus for determining the mass flow rate (Qm) of a gas whose composition is known, in particular an oxygen flow, comprising: a fluidic oscillation flowmeter making it possible to determine at least one value of frequency of oscillation of a vortex or vortex, a gas, in particular oxygen, passing through said fluidic oscillation flowmeter, a pressure sensor for measuring at least one gas pressure value, a temperature sensor for measuring at least one temperature value of the gas, and - data processing means cooperating with the fluidic oscillation flowmeter, the pressure sensor and the temperature sensor, said data processing means being configured to i) determining a volume flow rate (Qv) of gas from said at least one oscillation frequency of said gas vortex, of the gas pressure measured by the press sensor ion and the temperature of the gas measured by the temperature sensor, and ii) determining a gas mass flow rate (Qm) from the volume flow rate of gas (Qv) and said at least one temperature value delivered by the temperature sensor. temperature.
Depending on the case, the apparatus of the invention may comprise one or more of the following technical characteristics: the data processing means comprising at least one microprocessor implementing at least one algorithm. - It further comprises data storage means electrically connected to the data processing means, for example a flash memory. it furthermore comprises means for supplying electrical energy supplying the data processing means. the means for supplying electrical energy comprise at least one battery, battery or the like, in particular of rechargeable type. the fluidic oscillation flowmeter is arranged on a gas duct. - The temperature sensor is arranged to measure the temperature of the gas within said gas duct, that is to say that the temperature of the temperature sensor is connected to said gas duct to measure the temperature of the gas. - The pressure sensor is arranged to measure the pressure of the gas within said gas duct, that is to say that the pressure tap of the pressure sensor is connected to said gas duct to measure the pressure of the gas. the temperature sensor and / or the pressure sensor are installed as close as possible to the fluidic oscillator flowmeter, or even inside the flowmeter in the gas flow. In fact, to calculate the mass flow (Qm) from the volume flow (Qv), it is necessary to know the density of the gas passing through the flow meter, which density depends on the nature of the gas, the temperature and the temperature. pressure of this gas. This is detailed below. - The data processing means are further configured to determine, that is to say, to calculate a value of autonomy (A) gas from the mass flow value (Qm). - The fluidic oscillation flowmeter, the temperature sensor, the pressure sensor, the data processing means and at least a portion of the gas conduit are arranged in a housing. the data processing means are configured to calculate the mass flow rate of the gas (Qm) from the following formula (A): Qm = Qv. Rho (A) where: Qv is the volume flow rate of the gas (in m3 / s), and Rho is the density of the gas (in kg / m3). - It further comprises display means configured to display at least the mass flow determined by the data processing means or to display a gas autonomy. the display means comprise a digital screen. - It further comprises data transmission means configured to transmit data remotely to a receiving device, such as a server or a remote computer. For example, data such as mass flow, volume, pressure and temperature can be transmitted in Bluetooth mode. - The data transmission means comprises a transmitting antenna for transmitting data remotely, for example to a computer or a remote server. the fluidic oscillation flowmeter comprises a stabilization chamber comprising a flow stabilizing element, an oscillation chamber comprising a reflux element configured to create at least one oscillating gaseous vortex (or "vortex") in the oscillation chamber, the reflux element being between two parallel walls delimiting the oscillation chamber and a connecting pipe fluidly connecting the stabilization chamber to the oscillation chamber, one of said two parallel walls delimiting the oscillation chamber comprising two measuring ports arranged symmetrically with respect to a plane of symmetry P separating the connecting pipe, the stabilizing chamber, the flux stabilizing element, the fluidic oscillation chamber and the refluxing element in two equal and symmetrical parts by to said plane of symmetry P. - the oscillation chamber of the fluidic oscillation flowmeter comprises a peripheral aroi connecting the two parallel walls, that is to say the two walls arranged vis-à-vis or face to face, one of which carries the two measuring ports. The two parallel walls defining the oscillation chamber form the ceiling and the floor of the oscillation chamber, that is to say that the two measuring orifices are arranged in the ground or the ceiling. the fluidic oscillation flowmeter flow stabilizing element is configured to make the gas velocity profile at the output of this element in two dimensions (2D), thus invariable in the direction perpendicular to the plane of the flow meter, and moreover symmetrical with respect to the plane of symmetry. Indeed, the velocity profile of the gas arriving at the input of this element is often in 3-dimensional (3D) and asymmetrical. Suddenly changing the direction of flow at the entrance of this element in a rectangular section in addition which narrows as one approaches the connecting pipe, which is itself of rectangular section, allows to transform the 3D flow into 2D flow. On the other hand, the geometry symmetrical with respect to the plane of symmetry of this element also makes it possible to symmetrize the velocity profile. the connection duct of the fluidic oscillation flowmeter conveys the gas from the stabilization chamber to the oscillation chamber by accelerating the speed of the gas because the rectangular section for passing the gas is smaller than that of the passage arranged in the stabilizing element; . Indeed, it takes a gas velocity greater than a minimum value at the input of the oscillator chamber to trigger the oscillations because, in the absence of minimum speed, measuring the gas flow is not possible. the two measuring orifices of the fluidic oscillation flowmeter are closed, that is to say covered, by a fluid-tight membrane. This membrane transmits the pressure variations on the side of the oscillation chamber to the location where the sensors are located, ie microphones or pressure sensors. - The reflux element of the fluidic oscillation flowmeter comprises a semi-cylindrical section portion arranged in front of the connecting conduit. the fluidic oscillation flowmeter stabilization chamber comprising a first inlet orifice and a first outlet orifice arranged on the plane of symmetry P. The gas enters the stabilization chamber via the first inlet orifice and comes out of the stabilization chamber through the first outlet port. the oscillation chamber comprising a second inlet orifice and a second outlet orifice arranged on the plane of symmetry P. The gas enters the oscillation chamber through the second inlet orifice and leaves the chamber of oscillation; oscillation by the second exit orifice. the connecting duct of the fluidic oscillation flowmeter connects the first outlet orifice of the stabilization chamber fluidically to the second inlet orifice of the oscillation chamber. the fluidic oscillation flowmeter further comprises one or more pressure sensors or microphones connected to said two measuring orifices so as to make it possible to measure the pressure in the oscillation chamber, preferably microphones. Each measurement port is connected to a pressure sensor or microphone. - An inlet channel of the fluidic oscillation flowmeter is fluidly connected to the first inlet of the stabilization chamber. The inlet channel supplies the gas stabilization chamber. the flow-oscillating flowmeter flow-stabilizing element is spaced from the peripheral wall of the stabilization chamber so as to create gas passages around said flow-stabilizing element. The flow of gas therefore passes through the stabilization chamber bypassing the flow stabilizing element, that is to say passing on both sides of the flow stabilizing element. a gas evacuation duct is in fluid communication with the second gas outlet orifice of the oscillation chamber so as to recover the gas leaving the oscillation chamber.
Furthermore, the invention also relates to an oxygen therapy installation comprising: a gas reservoir, typically an oxygen cylinder, and an apparatus according to the invention for determining, and preferentially displaying, the mass flow (Qm) of the gas delivered by the gas tank and / or the gas autonomy of said gas tank.
Preferably, it further comprises a gas distribution interface for supplying respiratory gas, such as oxygen, to a patient, such as nasal cannulae or a breathing mask. The invention will now be better understood thanks to the following detailed description, given by way of illustration but without limitation, with reference to the appended figures in which: FIG. 1 is a diagram of the operating principle of a fluidic oscillation flowmeter equipping FIG. 2 is a three-dimensional representation of a fluidic oscillation flowmeter according to FIG. 1; FIG. 3 is a block diagram of an embodiment of an apparatus for determining the flow rate; The composition of a gas according to the invention incorporating the fluidic oscillation flowmeter of FIGS. 1 and 2, and FIG. 4 represents an oxygen therapy installation including an apparatus for determining the mass flow rate of a gas according to the invention.
Figure 1 is a diagram of the operating principle of a fluidic oscillation flowmeter (top view) intended to be incorporated in an apparatus for determining the mass flow (Qm) of a gas according to the invention whose composition is known for example oxygen.
This fluidic oscillation flowmeter comprises a stabilization chamber 1 in which is arranged a flow-stabilizing element 11, here having a triangular section, and an oscillation chamber 2 comprising a reflux element 21 having a half-cylinder shape, which is configured in an arc 22 to create an oscillating vortex or gas vortex. The vortex oscillates in fact between two zones Z1, Z2 situated schematically at the ends of the half-cylinder forming the element with reflux 21. The reflux element 21 is sandwiched between two parallel walls 28, 29 delimiting the chamber. oscillation 2 up and down respectively (Figure 2), that is to say forming the ceiling and the floor of the oscillation chamber 2.
A connecting pipe 3 fluidly connects the stabilization chamber 1 to the oscillation chamber 2 so that the gas which enters the stabilization chamber 1 passes therethrough and then feeds the oscillation chamber 2. The connecting pipe 3 there opens in facing relation, that is to say opposite or facing, the reflux element 21 of semi-cylindrical shape, which generates an oscillation of the flow and a formation of vortices in both Zl and Z2 zones aroused.
As can be seen, there is in fact a plane of symmetry P separating the entire system, in particular the connecting pipe 3, the stabilization chamber 1, the flux stabilizing element 11, the fluidic oscillation chamber 2 and the reflux element 21, in two equal parts and symmetrical with respect to this plane of symmetry P.
Such a configuration is known and described in the publication: Yves Le Guer; Confined jet, fluid-particle dispersions and chaotic mixing; Engineering Sciences; University of Pau and Pays de l'Adour; 2005, and in WO 93/22627.
To ensure an effective measurement of the variation as a function of time of the pressure of the gas within the reflux chamber 2 in which the gas flow oscillates by forming gaseous vortices in the zones Z1, Z2, the two measuring orifices 24, 25 are arranged in the ceiling 28 (or in the floor 29) of the reflux chamber 2, that is to say approximately above the zones Z1, Z2 where the vortices are formed, that is to say to say the oscillating vortex, and especially symmetrically with respect to the plane of symmetry P of the flowmeter, imperatively respecting each other, a distance d (measured between the axes or centers of the measuring orifices of between 0.5 and 15 mm (see Figure 1), preferably between 0.5 and 10 mm, for example of the order of 1 to 6 mm.
The two measuring orifices 24, 25 preferably connected to microphones or pressure sensors are preferably located on an axis perpendicular to the plane of symmetry P, and preferably in zone Z3 shown in dashed lines in FIG. 1.
Preferably, the two measuring orifices 24, 25 are connected to microphones (not shown), and are preferably closed by a fluid-tight membrane so as to ensure the proper functioning of these microphones. Thus, the pressure in the oscillation chamber 2 is transmitted to the microphones, via the two orifices 24, 25, and through the membranes which cover these two orifices 24, 25. Preferably, the membrane has a very thin thickness at the sensors 24 and 25, typically of the order of about 50 to 500 μm; elsewhere, its thickness can be between 1 and 2 mm or more.
In operation, the flow of gas flows in the direction of the arrows (=>) shown in FIG. 1. The flow of gas, for example oxygen, arrives through an inlet channel 4 is fluidly connected to the first orifice of inlet 12 of the stabilization chamber 1 and enters said stabilization chamber 1, via this first inlet port 12. Within the stabilization chamber 1, the flow is subjected to stabilization by the flow stabilizing element 11 , which is of section approaching that triangular with its base oriented vis-à-vis the outlet of the inlet channel 4, so in front of the first inlet port 12. In fact, the section of the stabilizing element 11 is slightly concave closer to the inlet 13 of the duct 3.
The gas flow thus bypasses the flow stabilizing element 11 by passing through passages 15 arranged on either side of it. The passages 15 are in fact delimited by the outer surface of the flow stabilizing element 11 and by the inner peripheral wall 14 of the stabilization chamber 1. In other words, the flow stabilizing element 11 is spaced from the peripheral wall 14 of the stabilization chamber 1 so as to create passages 15 for the gas around said flow stabilizing element 11.
The gas stream then leaves the stabilization chamber 1 via the first outlet orifice 13 and is conveyed via the connecting pipe 3 which fluidly connects the first outlet orifice 13 of the stabilization chamber 1 to the second inlet orifice 23 of the the oscillation chamber 2. The first and second inlet orifices 12, 23 and the first and second outlet orifices 13, 26 are arranged symmetrically with respect to the plane of symmetry P, as can be seen in FIG. 1.
The connecting duct 3 is preferably of rectangular section, that is to say that it is of parallelepipedal general shape, with a small / small width with respect to its height to make it possible to obtain a laminar flow in 2D and a sufficiently high speed, which will promote its oscillation in the reflux chamber 2. In general, as shown in Figure 1, the flow then enters the oscillation chamber 2 and impacts thereon the reflux element 21 of semi-cylindrical shape, which creates the oscillating vortex between the two zones ZI and Z2, as explained above.
The gas then continues its course in the oscillation chamber 2 before exiting through a gas evacuation conduit 27 which is in fluid communication with the second gas outlet port 26 of the oscillation chamber 2.
It is therefore understood that from a symmetrical speed field in two dimensions, a vortex is created whose location (zones Z1 and Z2) will oscillate with a frequency proportional to the value of the flow rate of the fluid circulating there. By placing microphones or pressure measuring devices / sensors outside the fluid conduit, ie above the zones Z1, Z2 where the vortices (vortices) are formed, the presence can be measured. or not of a depression of the gas and to deduce the volumetric flow rate (Qv) of gas circulating there.
FIG. 2 is a three-dimensional representation of the flowmeter of FIG. 1 making it possible to visualize the location of the measuring orifices 24, 25 in the ceiling 28 of the reflux chamber 2.
Figure 3 is a block diagram of an apparatus for determining the mass flow (Qm) of a gas according to the present invention.
This apparatus 30 comprises a fluidic oscillation flowmeter 33, as described above and shown in FIGS. 1 and 2, making it possible to determine at least one oscillation frequency value of the vortex or vortex of a gas passing through it, a temperature sensor 31 for measuring at least one temperature value of the gas, and a pressure sensor 32 for measuring at least one pressure value of the gas.
It also comprises data processing means 35 cooperating with the fluidic oscillation flowmeter, the temperature sensor 31 and the pressure sensor 32 which transmit signals representative of oscillating vortex oscillation frequency values in the chamber. oscillation of flowmeter 33, temperature and pressure.
The data processing means 35 is configured to determine a volume flow rate (Qv) of gas from said at least one oscillation frequency of the pressure at the level of the gas vortex generated within the fluidic oscillation flow meter 33, said at least one temperature value delivered by the temperature sensor 31 and of said at least one pressure value delivered by the pressure sensor 32, then a mass flow rate of gas (Qm) from the volume flow rate of gas (Qv) .
To do this, the data processing means 35, such as a microprocessor electronic card, for example a microcontroller, are electrically connected to the pressure or microphones sensors 24, 25 of the fluidic oscillation flowmeter 33 so as to collect and exploit the measurements. pressure at the sites Zl, Z2 where the oscillating vortices are formed by extracting their oscillation frequency and, moreover, the pressure and temperature measurements of the gas flowing in the gas duct supplying the fluidic oscillation flowmeter, and then deduce a volume flow (Qv) of gas, as detailed below.
The data processing means 35 comprising one or more microprocessors implementing at least one algorithm. The data is preferably stored by storage means, for example a flash memory. The data storage means are electrically connected to the data processing means. Typically, the microprocessor and the storage means are arranged on an electronic card.
Power supply means, such as a battery, supply the data processing means 35 and, if necessary, other components of the apparatus 30, such as, for example, the sensors, the storage means 36, etc. ..
The fluidic oscillation flowmeter 33, the temperature sensor 31, the pressure sensor 32, the data processing means 35 and at least a portion of the gas conduit 34 are arranged in a housing 37, preferably a rigid housing, through example in polymer. Preferably, the temperature sensor 31 and the pressure sensor 32 are arranged to perform their measurements within said gas duct 34, that is to say in the immediate vicinity of the fluidic oscillation flowmeter 33 of the apparatus of the invention. 'invention.
The operation of the apparatus of the invention is schematically the following.
The mass flow rate of the gas (Qm) is determined by the data processing means 35 which calculates it from the following formula (I): Qm = Qv. Rho (I) where:
Qv is the volume flow rate of the gas (in m3 / s), and - Rho is the density of the gas (in kg / m3).
The volume flow rate Qv of the gas is determined from the oscillation frequency of the gas pressure at the zones Z1, Z2 (see Fig. 1) where the vortex or vortex of gas generated by the fluidic oscillation flowmeter is formed. 33, as explained above.
Moreover, the density Rho of the gas is determined from the law of real gases. To do this, we deduce the density Rho (in kg / m3) from the measurement of pressure P and temperature T, and knowing the nature of the gas, thanks to the following formula (II):
(II) where:. P is the absolute pressure of the gas (in Pascal) measured by the pressure sensor in the conduit carrying the gas, that is to say installed as close as possible to the flowmeter or inside thereof, .T is the temperature measured (in Kelvin) by the temperature sensor installed as close as possible to the flowmeter, or possibly inside it. M is the molar mass of the gas in question (in kg / mol). This molar mass depends only on the composition of the gas. This value is known and stored for the selected gas, for example by the storage means. For example, the molar mass is 0.032 kg / mol for oxygen. . Z (P, T) is a compressibility factor (without unit) which depends on the gas considered, the pressure and the temperature of this gas. This value is known and stored for the gas used, for example by the storage means. For example, this value is approximately equal to 1 for pressures and temperatures close to atmospheric conditions, ie of the order of 1 atm and 20 ° C. . R is the universal constant of perfect gases (in J / kg / K). This value is known and stored. It is independent of the nature of the gas. It is 8.314 J / kg / K.
In other words, the apparatus of the invention is designed and configured to first determine the volume flow (Qv) of the gas from the vortex oscillation frequency, the gas temperature measurement and the the measurement of the pressure of the gas measured by the temperature and pressure sensors integrated in the gas duct of the apparatus of the invention, then use this value of volume flow (Qv) and the density value Rho of the gas for derive a mass flow value (Qm), the density Rho of the gas being determined as explained above.
Then, the mass flow rate value (Qm) can be displayed, stored, transmitted and / or used to determine the autonomy of the gas tank 41 (FIG.
oxygen bottle or the like, that is, to estimate the residual amount of oxygen in the tank 41 (Fig. 4).
Indeed, by integrating the mass flow rate value (Qm) over the entire duration of use of the gas tank, in particular a bottle of oxygen, since its filling, it is possible to know the quantity of gas used during this period of time. use following the selection of a given flow rate on the gas tank, such as a gas cylinder.
This then makes it possible to estimate the autonomy (A) of the reservoir, at a constant rate, for example from the following formula (III).
Thus, if the mass flow rate (Qm) is expressed in kg / min, then the autonomy (A) of the reservoir, expressed in minutes, is given by the following formula (III):
(III) with: -tO, the moment of the initial filling of the tank. mgaz (tO) the mass of gas (in kg) after the filling of the tank, that is to say the maximum quantity of usable gas deduced from the law of real gases; and
• inside the bottle refers to the volume in m3 of the inside of the gas tank, such as a gas bottle, • Pto in the bottle is the absolute pressure (in Pa) in the bottle after filling and when it is returned to room temperature, and • nigaziÆI'lO the gas mass (in kg) remaining in the bottle related to the presence at the outlet of the tank, that is to say from the bottle, a valve that closes automatically when the gas pressure in it falls below a given threshold. This type of valve that equips the majority of gas cylinders, is called "RPV" (for Residual Pressure Valve) or "VPR" (for residual pressure valve). It limits the drop in pressure in the bottle to a given pressure threshold (Pseuii) which is often between 3.105 and 6.105 Pa absolute.
To calculate this mass of residual gas in the gas tank, typically a cylinder of gas, the law of real gases is also used, assuming that the temperature of the gas in the tank, when the pressure reaches the threshold pressure (Pseuii), is equal to room temperature, using the following formula (IV):
(IV)
It should be noted that if the bottle is not equipped with a device of the RPV type, the last formula remains valid provided that the pressure threshold is replaced by the value of the atmospheric pressure.
To know the autonomy of a gas tank is particularly interesting for the user since this information indicates to him the approximate duration during which he will be able to use the tank and consume gas, that is to say, says otherwise, after how long it will take to replace the empty tank with a filled tank. This increases the safety especially for the patients.
In other words, the data processing means can be advantageously configured to calculate or determine a duration of autonomy (A) of a gas cylinder (or another tank) from the mass flow (Qm) and several other parameters for determining the mass of residual gas in the bottle, namely the capacity of the oxygen cylinder inside the endem (ie volume in water equivalent), the initial pressure of the gas in the bottle Pto in the bottle, the initial temperature of the gas in the bottle Tambiante at t0 which equates to the ambient temperature when the bottle is stored in a temperate room, the nature of the gas considered, for example oxygen and the pressure threshold Pseuu of the device of VPN type
The duration of autonomy (A) in gas of a given tank, such as a gas bottle 41 as illustrated in FIG. 4, can then be recorded, displayed on a display, such as a digital screen, and / or transmitted to a server. remote or the like. The fluidic oscillation flowmeter apparatus 33 according to the invention is therefore designed to determine a mass flow rate (Qm) of a gas and preferably a range (A) of gas from the knowledge of the composition of the gas, pressure, temperature, oscillation swirl frequency measurements created in the fluidic flow meter and volume flow value (s) (Qv) obtained from said measurements. Knowing the value of mass flow (Qm) then allows the apparatus of the invention to estimate a gas autonomy of the gas tank, such as a bottle of oxygen, supplying the apparatus.
FIG. 4 schematizes an oxygen therapy installation according to the invention comprising a gas reservoir 41, typically an oxygen cylinder, and an apparatus according to the invention for determining, and preferentially displaying, the mass flow (Qm) of the gas delivered by the tank 41 of gas and / or the gas autonomy of said gas tank.
A gas delivery interface 43, such as nasal cannulae or a breathing mask, provides breathing gas, such as oxygen, to a patient. The gas is conveyed from the gas bottle 41 to the distribution interface 43 by one or more flexible gas conduits, the apparatus 30 according to the invention being inserted in the gas path between the gas cylinder. 41 and the interface 43, that is to say on the conduit (s) 42. The apparatus according to the invention for determining the mass flow rate of gas and preferably gas autonomy calculation, in particular of a bottle of gas or any other container, is advantageously used in the context of a treatment with oxygen therapy of a patient at home.
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